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Flotte Versuche

Einsatz von Piezoantrieben, Scannern und Positioniersystemen in der Laborautomation
Flotte Versuche

Die Laborautomation in der Chemie, Bio-, Pharma- und Lebensmitteltechnologie sowie der Medizin hat das Ziel, durch die Automatisierung der Laborprozesse deren Reproduzierbarkeit zu verbessern sowie Zeit und Kosten zu sparen. Sie ist dabei auf schnelle und präzise Antriebssysteme angewiesen. Je nach Anwendung müssen diese dann auch noch möglichst kompakt bauen oder selbst unter starken magnetischen Feldern, niedrigen Temperaturen und Vakuum zuverlässig arbeiten.

 

Exklusiv in KEM Die Autoren: Steffen Arnold, Leiter Markt und Produkte bei der Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG in Karlsruhe, und Ellen-Christine Reiff vom Redaktionsbüro Stutensee

Ein wichtiger Bereich bei der Laborautomation ist die präzise Zuführung von Substanzen. Kleiner Bauraum, hohe Präzision und Dynamik sowie geringe Anschaffungs- und Unterhaltskosten machen piezoelektrische Antriebe bei Mikropumpen und Nanoliterdosierung unersetzlich. Das gilt für piezokeramische Scheiben zur Erzeugung schneller Schwingungen ebenso wie für Aktoren mit hoher Beschleunigung bei Hüben von 10 bis 1000 µm oder Piezomotoren für schnelle Bewegungen über mehrere Millimeter.
Präzises Pumpen und Dosieren bei hohen Förderraten
Ein typisches Anwendungsbeispiel für piezokeramische Aktoren sind Mikromembranpumpen. Sie funktionieren ähnlich wie Kolbenpumpen, allerdings ist bei ihnen das zu fördernde Medium durch eine Membran vom Antrieb getrennt. Beeinträchtigungen der gepumpten Medien durch den Antrieb und umgekehrt sind dadurch ausgeschlossen. Als Antriebssystem bieten sich bei den miniaturisierten Varianten dieses Pumpentyps hochdynamische Piezoelemente in Scheibenform an, die direkt auf einer Metallscheibe appliziert werden.
Mikrodosierventile funktionieren ähnlich wie Pumpen, die erforderlichen Kräfte sind allerdings höher. Die hier üblichen Dosierfrequenzen im kHz-Bereich sind häufig nur mit Piezoaktorik realisierbar. Je nach Baugröße arbeiten in den Mikrodosierventilen unterschiedliche Piezokomponenten. So werden kleine Piezoröhrchen für Drop-on-Demand-Verfahren wie in Tintenstrahldruckern eingesetzt. Miniaturisierte Ventile für Dosieraufgaben im Nanoliter-Bereich werden z. B. mit Piezoscheiben realisiert, die man auch bei Lab-on-a-Chip-Anwendungen verwendet. Bei Ventilen, bei denen größere Hübe erforderlich sind, kann man mit Piezoaktoren arbeiten, die hebelübersetzt sind. Sie eignen sich für längere Stellwege und damit auch für Applikationen, bei denen – abhängig von den Materialeigenschaften – bestimmte Tropfengrößen erreicht werden müssen.
Interessant in diesem Zusammenhang ist das piezogetriebene Direktverdrängerverfahren der Pipejet-Dispenser, das sich in zwei entscheidenden Punkten von den meisten üblichen Piezo-Dosierverfahren unterscheidet: Die Fluidleitung besteht nicht aus Glas- oder Stahlkapillaren, sondern aus einem elastischen Polymerschlauch mit definiertem Innendurchmesser, der nicht fest mit dem Piezoaktor verbunden ist. Dadurch können fluidkontaminierte Teile leicht und kostengünstig ausgewechselt werden.
Für jede Positionieraufgabe das passende System
Automatisierung im Laborbereich ist oft auch erforderlich, weil Umgebungsbedingungen die Zugänglichkeit einschränken, z. B. unter Vakuum, magnetischen Feldern, Strahlung oder weil die Komponenten einfach tief im System verbaut sind. Kleine, präzise und zuverlässige Piezoantriebe sind hier die richtige Lösung. Typische Anwendungen sind z. B. die automatisierte Verstellung von Iris- oder Multi-Leaf-Collimator-Blenden, bei der schmale Lamellen einzeln durch kompakte Antriebe verstellt werden, um eine bestimmte Form vorzugeben und unerwünschte Randeffekte der Beleuchtung bzw. Bestrahlung auszublenden.
Ähnliche Anforderungen gelten für die Probenmanipulation oder Justierung abbildender Optiken mit Kleinstantrieben. Hierfür bietet PI entsprechende Positionier- und Handlingssysteme in großer Auswahl basierend auf unterschiedlichen piezoelektrischen Funktionsprinzipien an: Für viele Anwendungen, die hohe Dynamik fordern, eignen sich beispielsweise Piezo-Ultraschallantriebe. Die Direktantriebe verzichten zugunsten der Kosten und der Zuverlässigkeit auf mechanische Komponenten klassischer Motor-Spindel-Antriebssysteme wie Kupplung oder Getriebe. Sie sind leicht und eignen sich für Verfahrgeschwindigkeiten bis etwa 500 mm/s und Beschleunigungen bis 20 g, ihre Wiederholgenauigkeit liegt im Bereich von etwa 50 nm.
Als platzsparende und preiswerte Mikroantriebe gelten piezobasierte Trägheitsantriebe. Sie nutzen den Stick-Slip-Effekt für feine Schritte mit wenigen Mikrometern Schrittgröße. Ein piezoelektrischer Aktor dehnt sich aus und nimmt einen bewegten Läufer mit. Im zweiten Teil eines Bewegungszyklus kontrahiert der Aktor so schnell, dass er am bewegten Teil entlang gleitet und dieser aufgrund seiner Trägheit die Bewegung nicht nachvollziehen kann, also auf seiner Position verharrt. Die elektrische Ansteuerung ist einfach und erinnert an eine Sägezahnspannung. Typische Anwendungen für dieses Antriebsprinzip finden sich bei Blenden- und Membranverstellungen oder bei Justageaufgaben an unzugänglichen Orten. Piezoelektrische Trägheitsantriebe werden je nach Ausführungsform mit einer Frequenz von 20 kHz betrieben, sind dadurch nicht hörbar und erreichen Geschwindigkeiten von bis zu 10 mm/s.
Fokussieren auf die Objektoberfläche: Autofokus
Eine typische Mikroskopieanwendung für Piezoantriebe ist die Autofokus-Funktion, also das Scharfstellen der gewünschten Objektebene bzw. Oberfläche der Probe. Hier muss bei jeder Probe der Fokus nachjustiert werden und zwar mit möglichst kurzen Einschwingzeiten. Diese Aufgabe übernimmt der Piezoantrieb. Die Anforderungen an die Schnelligkeit sind bei Autofokus-Anwendungen dann hoch, wenn es auf hohe Durchsatzraten ankommt. Außerdem kann die Bestrahlung fluoreszierender Tracer toxisch auf die Zellen wirken; ein weiterer Grund, weshalb der Zeitfaktor beim Fokussieren eine wichtige Rolle spielt. Ob der Piezoantrieb bei Autofokus-Anwendungen das Objektiv, den Objektivrevolver oder die Probe entlang der optischen Achse bewegt, hängt von der Anwendung ab.
Pifoc-Z-Antriebe für das Objektiv können sehr klein und steif gebaut werden. Sie reagieren dadurch mit kurzen Ansprechzeiten und positionieren durch die gute Führung auch bei verhältnismäßig großen Verfahrwegen genau. Außerdem sind bei der Probe bewegungsbedingte Störungen auszuschließen. Entsprechend ausgelegt können die Pifoc-Z-Antriebe je nach Anforderung einzelne Objektive oder den ganzen Revolver bewegen. Es gibt aber auch Gründe, die dafür sprechen, beim Fokussieren nicht das Objektiv, sondern die Probe zu bewegen. Hierfür bieten sich dann Piezo-Scantische an, deren Apertur die Probenhalter oder Mikrotiterplatten aufnimmt.
Driftnachführung bei Langzeitaufnahmen
Bei mikroskopischen Untersuchungen, bei denen eine Aufnahme lange dauert oder das Verhalten der Proben über einen längeren Zeitraum beobachtet werden muss, ist es wichtig, die gefundene Position exakt zu halten, bzw. eine eventuelle Drift in Richtung der Z-Achse auszugleichen. Ein typisches Beispiel ist die Untersuchung dynamischer Prozesse in lebenden Zellen. Hier kommt es vor allem darauf an, dass die eingesetzten Antriebe die feuchtwarmen Bedingungen im Inkubator vertragen und sich die Systeme gut in die Feed-back-Systeme integrieren lassen.
Auch bei solchen Fokusstabilisierungsanwendungen mit Driftnachführung haben Piezoantriebe damit die Nase vorn. Feuchtigkeit beeinträchtigt die Funktion der eingesetzten Picma-Aktoren nicht und die Digitalcontroller lassen sich gut in die übergeordneten Systeme integrieren. Sie erlauben es beispielsweise, zwischen antriebsinternem und externem Sensor umzuschalten. Als externes Sensorsignal (Istwert) kann ein dem Abstand zwischen Objektiv und Probe proportionales Signal verwendet werden. Ist der Abstand von Objektiv zur Probe so eingestellt, dass die gewünschte Struktur der Probe scharf abgebildet wird, kann der zugehörige Sensorwert als Sollwert dem Piezocontroller vorgegeben werden. Ändert sich jetzt der Abstand von Probe und Objektiv durch Driftprozesse – was die Fokusebene in der Probe verschiebt – regelt der Piezocontroller die Spannung am Piezoantrieb so lange nach, bis dessen Positionsänderung die Drift kompensiert hat. Damit bleiben ausgewählte Probenstukturen langzeitstabil im Fokus.
Mikroskopie-Kreuztisch mit Ultraschall-Piezomotoren
Kreuztische beispielsweise, die in Mikroskopen bei Scans für die horizontale Probenpositionierung eingesetzt werden, sollten möglichst flach bauen, damit sie sich gut integrieren lassen und die Proben problemlos zugänglich bleiben bzw. bei inversen Mikroskopen der Objektivrevolver und andere Elemente unterhalb des Tisches erreichbar sind. Auch Flexibilität hinsichtlich Geschwindigkeit und Auflösung ist gefragt, um Mikroskope für unterschiedliche Aufgaben nutzen zu können. Mikroskopie-Kreuztische, die mit Ultraschall-Piezoantrieben arbeiten, bieten hierfür gute Voraussetzungen. Die kompakten Piezomotoren machen als lineare Direktantriebe Kanäle für Spindeln und angeflanschte Schrittmotoren überflüssig. Darüber hinaus sind sie selbsthemmend im Ruhezustand und halten so die angefahrene Position stabil. Mit lediglich 30 mm Höhe bauen sie äußerst flach, eignen sich für Stellwege bis 85 auf 135 mm. Die eingesetzten Ultraschall-Piezoantriebe ermöglichen eine gute Geschwindigkeitskonstanz im weiten Bereich von 10 µm/s bis 100 mm/s. Der gleiche Mikroskop-Kreuztisch eignet sich aber ebenso gut für automatisierte Scan-Anwendungen, die hohe Geschwindigkeiten bis 100 mm/s und kurze Einschwingzeiten erfordern. In Kombination mit einem Linear-Encoder liegt die Positionsauflösung bei 0,1 µm, die bidirektionale Wiederholgenauigkeit bei 0,4 µm. Bei dieser Vielzahl der Anwendungsmöglichkeiten wird deutlich, dass Laborautomation ohne piezobasierte Antriebslösungen heute kaum noch denkbar ist.
Halle 9, Stand 9007
Physik Instrumente, Tel.: 0721 4846-0, E-Mail: info@pi.ws
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